JPS6121515A - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device

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JPS6121515A
JPS6121515A JP20176684A JP20176684A JPS6121515A JP S6121515 A JPS6121515 A JP S6121515A JP 20176684 A JP20176684 A JP 20176684A JP 20176684 A JP20176684 A JP 20176684A JP S6121515 A JPS6121515 A JP S6121515A
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gate
reference voltage
semiconductor
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Kanji Yo
陽 完治
Osamu Yamashiro
山城 治
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    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/245Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the temperature

Abstract

PURPOSE:To attain generation of a reference voltage with less fluctuation due to temperature change by constituting an MOS diode where a drain and a gate are connected in common by an MISFET so as to attain ease of design and mass- production of an electronic circuit. CONSTITUTION:T1, T2 are MISFETs to constitute the MOS diode where the drain and gate are connected in common. Further, the T1, T2 have different threshold voltages and nearly equal mutual conductances and a difference of the threshold voltage is extracted by taking the difference of drain voltages V1, V2. Moreover, the difference of the Fermi level of N and P channel semiconductors nearly equal to the difference of the threshold voltages is extracted by using an N gate MOS and a P gate MOS. Thus, the design and mass-production of the electronic circuit is attained easily and a reference voltage where the fluctuation of voltage and temperature change is small is generated.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体集積回路装置に関する。[Detailed description of the invention] The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device.

各種の半導体電子回路において、°基準となる電圧を発
生させるには電圧の次元を持った物理量を利゛用するこ
とが必須の条件である。これまで、その物理量としては
もっばらPN接合ダイオードの順方向電圧降下VFや逆
方向降伏電圧(ツェナ電圧))12並びに絶縁ゲート型
電界効果トランジスタ(IG、FET 、MO,5FE
Tで代表されることが多い)9しき℃・値電圧Vth等
が利用されている。
In various semiconductor electronic circuits, in order to generate a reference voltage, it is essential to use a physical quantity that has the dimension of voltage. Until now, the physical quantities have mainly been the forward voltage drop VF and reverse breakdown voltage (Zena voltage) of PN junction diodes, and insulated gate field effect transistors (IG, FET, MO, 5FE).
(often represented by T) 9 threshold degrees C. value voltage Vth, etc. are used.

これらの物理量は絶対的な電圧値を示すものでなく、そ
の電圧値はさまざまなファクターによって変動を受ける
。従って、これらめ物理量を各種電子回路の基準電圧発
生装置として利用するためには、得られる電圧値の変動
要素と許容できる変動幅に注意を払わなければならない
These physical quantities do not indicate absolute voltage values, and the voltage values are subject to fluctuations depending on various factors. Therefore, in order to utilize these physical quantities as a reference voltage generating device for various electronic circuits, it is necessary to pay attention to the fluctuation factors of the obtained voltage value and the permissible fluctuation range.

まず、これら物理量の温度特性について言えば、上記v
Fやvthは通常2〜3 nV / C程度の温度依存
性を持っており、この温度変化に伴なう基準電圧の温度
変化は用途によっては実用を断念せざるを得ない程の大
きさに及ぶ。
First, regarding the temperature characteristics of these physical quantities, the above v
F and vth usually have a temperature dependence of about 2 to 3 nV/C, and the temperature change in the reference voltage that accompanies this temperature change can be so large that it has to be abandoned for practical use depending on the application. Extends.

例えば公称1.5■の酸化銀電池を使用する電子時計に
おいて、電池の電圧の下がったことを警告する目的で作
られるバッテリー・チェッカーを実現しようとすれば、
1.4V程度を境(検出レベル)として電池電圧の、高
低を判断する必要がある。
For example, if you want to create a battery checker for an electronic watch that uses a nominal 1.5-inch silver oxide battery to warn that the battery voltage has dropped,
It is necessary to judge whether the battery voltage is high or low, with the boundary (detection level) being about 1.4V.

これを0.6V程度のMOSFETのしきい値電圧Vt
h又は、ダイオードの順方向降下電圧■、を利用して構
成しようとすれば、1.4Vを目標とした検出レベルは の温度依存性を持ち、実用動作温度範囲をOC〜50C
と狭く見積っても、1.23V〜1.57Vと大きく変
動することになり、実用的なバッテリーチェッカーとは
なり得ない。
This is the MOSFET threshold voltage Vt of approximately 0.6V.
If you try to configure it using the diode's forward drop voltage, the detection level with a target of 1.4V will have a temperature dependence, and the practical operating temperature range will be OC to 50C.
Even if we make a narrow estimate, the voltage will fluctuate widely between 1.23V and 1.57V, so it cannot be used as a practical battery checker.

次に、これら物理量の製造バラツキについては、MQS
I”ETのしきい値電圧Vthは±0゜2V程度のバラ
ツキがあり、このバラツキは温度変化よりも大きくなる
。従って、上述のバッテリ・チェッカをVthを利用し
てIC(集積回路)化した場合基準電圧補正のための外
部部品と接続ピン(端子)のみならず、IC製造後の調
整のi間が必要となる。
Next, regarding manufacturing variations in these physical quantities, MQS
The threshold voltage Vth of I"ET has a variation of about ±0°2V, and this variation is larger than the temperature change. Therefore, the above-mentioned battery checker was made into an IC (integrated circuit) using Vth. In this case, not only external parts and connection pins (terminals) for correcting the reference voltage but also adjustment after the IC is manufactured are required.

また、ツェナ電圧■2は低い電圧では3V程度が限度で
あり、1〜3V程度の低電圧範囲で使用する基準電圧と
しては不適当であり、又、ツェナ電圧及びダイオードの
順方向降下電圧を基準電圧として使用するのには、数′
mA〜数十mA程度の電流を流す必要があり、低消費電
力化という点でも不適当である。
In addition, the Zener voltage (2) has a low voltage limit of about 3V, which is inappropriate as a reference voltage for use in the low voltage range of about 1 to 3V. To use as a voltage, the number
It is necessary to flow a current of about mA to several tens of mA, which is inappropriate in terms of reducing power consumption.

以上の説明から明らかなように、vth y VFおよ
び■zを利用した従来の基準電圧発生装置は、温度特性
、製造バラツキ、消費電力および電圧レベル等を考えれ
ば、必ずしもあらゆる用途に適合するものではなく、極
めて厳しい特性が要求される用途に対しては実用−化や
量産化を断念せねばならなくなるケースがしばしばであ
った。
As is clear from the above explanation, conventional reference voltage generators using vth y VF and In many cases, practical application and mass production had to be abandoned for applications requiring extremely strict characteristics.

なお、異なる電極材料のMOSFETを用℃・た基準電
圧発生回路は特開昭51−149780号に開示されて
いる。
Note that a reference voltage generating circuit using MOSFETs with different electrode materials is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 149780/1983.

本発明者らは、以上のような検討かり従来の基準電圧発
生装置の改良には物理的に限界があると知り、新しい考
え、発想を持った基準電圧発生装置の研究、開発に踏み
切った。
The inventors of the present invention learned from the above studies that there are physical limits to the improvement of conventional reference voltage generators, and decided to research and develop a reference voltage generator with new ideas and ideas.

本発明の目的は従来にはみられない全く新しい考えに基
すいた基準電圧発生回路を提供し、電子回路の設計、*
産化を容易にすることである。
The purpose of the present invention is to provide a reference voltage generation circuit based on a completely new idea not seen in the past, and to provide a reference voltage generation circuit based on a completely new idea that has not been seen before.
The aim is to facilitate industrialization.

本発明の他の目的は温度変化の小さい基準電圧発生装置
を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator with small temperature changes.

本発明の他の目的は得られる電圧値の変動が製造条件の
変動に対して小さい、例えばロット間の製造バラツキ(
偏差)が小さい基準電圧発生装置を提供することである
Another object of the present invention is to keep fluctuations in the obtained voltage values small with respect to fluctuations in manufacturing conditions, such as manufacturing variations between lots (
It is an object of the present invention to provide a reference voltage generating device with a small deviation).

本発明の他の目的は製造後の調整が不要な程に製造バラ
ツキを小さくできる集積回路化された基準発生装置を提
供することである。
Another object of the present invention is to provide an integrated circuit reference generator that can reduce manufacturing variations to the extent that post-manufacturing adjustments are not required.

本発明の他の目的は目標仕様に対して大きい余裕度を持
って製造することが可能な基準電圧発生装置を含む集積
回路化された電子回路装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide an integrated electronic circuit device including a reference voltage generating device that can be manufactured with a large margin of tolerance to target specifications.

本発明の他の目的は製造歩留りの高い基準電圧発生装置
を含む集積回路化された電子回路装置を提供することで
ある。
Another object of the present invention is to provide an integrated electronic circuit device including a reference voltage generator with high manufacturing yield.

本発明の他の目的はIGFET集積回路に適した基準電
圧発生装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for IGFET integrated circuits.

本発明の更に他の目的は消費電力の少ない基準電圧発生
装置および電圧比較器を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a reference voltage generator and a voltage comparator that consume less power.

本発明の他の目的は精度の優れた低電圧(1,1V以下
)を得ることができる基準電圧発生装置を提供すること
である。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator capable of obtaining a low voltage (1.1 V or less) with excellent accuracy.

本発明の他の目的は比較的低い電圧°(約1〜3■)の
電源、例えば1,5■の酸化銀電池や1.3■の水銀電
池に適合する。基準電圧発生装置を提供することである
Another object of the invention is that it is compatible with relatively low voltage power supplies (approximately 1 to 3 cm), such as 1.5 cm silver oxide cells and 1.3 cm mercury cells. An object of the present invention is to provide a reference voltage generator.

本発明の他の目的は半導体集積回路に適合する基準電圧
発生装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for semiconductor integrated circuits.

本発明の他の目的は高精度の電圧比較器、安定化電源装
置、定電流目−路、バッテリ・チェッカを提供すること
である。
Another object of the present invention is to provide a highly accurate voltage comparator, regulated power supply, constant current line, and battery checker.

本発明の他の目的は高精度のバッテリ・チェッカを内蔵
した、外部端子数の少ない電子時計用半導体集積回路装
置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device for an electronic watch that has a built-in highly accurate battery checker and has a small number of external terminals.

本発明の他の目的は相補型絶縁ゲート電界効果トランジ
スタ集積回路(CMO8IC)とコンパチブルな基準電
圧発生装置とその製造方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator compatible with a complementary insulated gate field effect transistor integrated circuit (CMO8IC) and a method for manufacturing the same.

本発明は半導体物性の原点にたちかえり、特にエネルギ
ーギャップEg、フェルミ準位Ef等に着眼してなされ
たものである。
The present invention has been made by going back to the origins of semiconductor physical properties, and paying particular attention to the energy gap Eg, Fermi level Ef, etc.

即ち、半導体がエネルギー・ギャップEg 、ドナー、
アクセプタおよびフェルミ準位等の各種準位をもつこと
は周知であるが、これら半導体の物性、特にエネルギー
・ギャップEgやフェルミ準位Efに着目し廷基準電圧
発生装置は、半導体が発見されて以来広範囲の分野に目
覚ましい発展を遂げた現在に屋るまで、いまだ例をみな
い。
That is, the semiconductor has an energy gap Eg, a donor,
It is well known that semiconductors have various levels such as acceptor and Fermi levels, but since the discovery of semiconductors, a reference voltage generator has been developed that focuses on the physical properties of these semiconductors, especially the energy gap Eg and Fermi level Ef. Until now, it has made remarkable progress in a wide range of fields, and has never been seen before.

結果論で言うと、本発明者らはこのエネルギー・ギャッ
プEg、フェルミ準位Bf等を基準電圧源に利用するこ
とを考え、その実現に成功した。エネルギー・ギャップ
Eg、フェルミ準位Ef等を基準電圧源に使用すること
自体は決して難しい理論ではなく、その結果はたやすく
理解、納得できるところであろう。しかしながら、もは
や浅い歴史ではなくなったこの半導体工業の分野におい
て、半導体物性の原点にたちかえり、本発明者らがもた
らした前人未到と信じられるこの成功例は独創的かつ画
期的なものであり、今後の電子回路や半導体工業の一層
の発展に大きく寄与できるものと期待される。
In terms of results, the present inventors considered using this energy gap Eg, Fermi level Bf, etc. as a reference voltage source, and succeeded in realizing it. Using energy gap Eg, Fermi level Ef, etc. as a reference voltage source is not a difficult theory in itself, and the results are easy to understand and accept. However, in the field of the semiconductor industry, which no longer has a short history, this successful example, which is believed to be unprecedented, brought about by the present inventors, returning to the origins of semiconductor physical properties, is original and groundbreaking, and will continue to be used in the future. It is expected that this technology will greatly contribute to the further development of the electronic circuit and semiconductor industries.

本発明の一実施例によれば、シリコン・ゲート電極の導
電塵が異なる2つのIGFE、Tがシリコン・モノリシ
ック半導体集積回路チップ内に作られる。これらのFE
Tはゲート電極の導電塵を除いてほぼ同じ条件で製造さ
れるので、両者のVthO差はほぼP型シリコンとN型
シリコンのフェルミ準位の差に等しくなる。各ゲート電
極には飽和濃度付近にそれぞれの不純物がドープされ、
この差はシリコンのエネルギー・ギャップEg(約1、
IV)にほぼ等しくなり、これが基準電圧源として利用
される。
According to one embodiment of the present invention, two IGFEs, T, with different conductive particles of silicon gate electrodes are fabricated within a silicon monolithic semiconductor integrated circuit chip. These FEs
Since T is manufactured under almost the same conditions except for conductive dust on the gate electrode, the difference in VthO between the two is approximately equal to the difference in Fermi level between P-type silicon and N-type silicon. Each gate electrode is doped with each impurity near the saturation concentration,
This difference is the energy gap Eg of silicon (approximately 1,
IV), which is used as a reference voltage source.

このような構成に基ずく基準電圧発生装置は温度依存性
が小さくまた製造偏差も小さいので、各種電子回路の基
準電圧発生装置として利用され得る。
A reference voltage generating device based on such a configuration has low temperature dependence and small manufacturing deviation, so it can be used as a reference voltage generating device for various electronic circuits.

本発明および本発明の更に他の目的は図面を参照した以
下の説明から一層明白に理解されるであろう。
The present invention and further objects thereof will be more clearly understood from the following description with reference to the drawings.

半導体の結晶構造から始まり、半導体のエネルルー・バ
ンドおよびドナーとアクセプタ不純物が半導体にもたら
す現象などへと展開していく半導体の物性論は数多くの
文献で説明されている。
Numerous documents explain the physical properties of semiconductors, starting from the crystal structure of semiconductors and extending to the energy band of semiconductors and the phenomena caused by donor and acceptor impurities in semiconductors.

組成の異なる半導体がそれぞれ固有のエネルギー・ギャ
ップE8を有し、eVで表わされるエネルギー・ギャッ
プEgが電圧の次元を持っていることは言うまでもなく
周知である。しかしながら、前述したように半導体が固
有のエネルギー・ギャップE8を持ち、この温度依存性
が小さいことに着目し、これを基準電圧源として利用し
た例はいまだ例をみない。
It is of course well known that semiconductors of different compositions each have a specific energy gap E8, and that the energy gap Eg, expressed in eV, has the dimension of voltage. However, as mentioned above, there has never been an example in which a semiconductor has an inherent energy gap E8 and this temperature dependence is small, and this is used as a reference voltage source.

本実施例はこのような半導体物性の基礎から出発して成
されたものであるので、本発明の詳細な説明はまずは半
導体の物性を引き合いにして本発明の原理的なところか
ら始める。なお、半導体の物性については、多くの文献
でかなり丁寧に説明されているので、以下その文献の一
つであるS。
Since this embodiment was developed starting from the basics of semiconductor physical properties, a detailed explanation of the present invention will first start from the fundamentals of the present invention with reference to the physical properties of semiconductors. The physical properties of semiconductors are explained in detail in many documents, and the following is one of them, S.

MIISZE著、” Physics of Sem1
conductorDevices”、1969年Jo
hn Wi ley & 5ons社発行、特にCha
pter 2″Physics and Prop6r
tiesof Sem1conductors −A 
Resume”11頁′65頁の助けを借りて簡単に説
明する。
“Physics of Sem1” by MIISZE
conductorDevices”, 1969Jo
Published by hn Wiley & 5ons, especially Cha
pter 2″Physics and Prop6r
tiesof Sem1conductors-A
A brief explanation will be provided with the help of "Resume" page 11' page 65.

五色冬薫ニー薫ヱ冬A旦12灸叫 半導体の組成物としてはさまざまなものがあるが、その
うち現在工業的に利用されている半導体として代表的な
のがゲルマニュウム(Ge)、シリコン(Sl)の非化
合物半導体とガリュクム・ひ素(GaAs )化合物半
導体である。これらのエネルギー・ギャップEgと温度
との関係は前述の著書24頁で説明されており、これを
第1図に再掲する。
There are various compositions of semiconductors, but among them, the typical semiconductors currently used industrially are germanium (Ge) and silicon (Sl). These are non-compound semiconductors and galycum arsenic (GaAs) compound semiconductors. The relationship between the energy gap Eg and temperature is explained on page 24 of the aforementioned book, and is reproduced in FIG. 1.

第1図から理解さ′れるように、Ge 、 S iおよ
びGaAsのEgは常温(3000K )で、それぞれ
、0.80(eV)、tt2(eV)および1.43(
eV)である。またその温度依存性は、それぞれ、0.
39 (m e VloK)、o、24 (m e V
/ K)および0.43 (m e V/’K )であ
る。従って、これらのエネルギ+0ギヤツプEgに相当
スる或いはそれに近い値の電圧を取り出すことによって
、前述したPN接合ダイオードの順方向電圧降下VFや
IGFETのしきい値電圧Vthが持つ温度依存性より
1桁も小さい温度依存性を持つ基準電圧発生装置が得ら
れる。さらに、得られる電圧は半導体固有のエネルギー
・ギャップEgで決まり、例えばSiでは常温で約1.
12(V)と他の要因とはほぼ無関係に定められ、製造
条件等のバラツキに左右されにくい基準電圧を得ること
が可能である。
As understood from Fig. 1, the Eg of Ge, Si and GaAs is 0.80 (eV), tt2 (eV) and 1.43 (at room temperature (3000K), respectively).
eV). Moreover, the temperature dependence is 0.
39 (m e VloK), o, 24 (m e V
/K) and 0.43 (m e V/'K). Therefore, by extracting a voltage corresponding to or close to these energies + 0 gap Eg, the temperature dependence of the forward voltage drop VF of the PN junction diode and the threshold voltage Vth of the IGFET described above can be reduced by one order of magnitude. Thus, a reference voltage generator having a small temperature dependence can be obtained. Furthermore, the voltage obtained is determined by the energy gap Eg specific to the semiconductor; for example, in the case of Si, it is approximately 1.
12 (V) and is determined almost independently of other factors, making it possible to obtain a reference voltage that is not easily affected by variations in manufacturing conditions and the like.

では、この半導体のエネルギー−ギャップEgに相当す
る電圧はいかなる原理に基すいて取り出すことができる
か、その−例を説明する。
Now, an example will be explained based on which principle the voltage corresponding to the energy gap Eg of this semiconductor can be extracted.

半導体にドナーおよびアクセプター不純物をドープした
場合のエネルギー準位の状態はよく知られている。なか
でも本発明で注目したところは、N型およびP型半導体
のフェルミ・エネルギーの位置するところが、真性半導
体のフェルミ・エネルギー準位E1を基準にして、それ
ぞれ伝導帯および価電子帯に向けて2分されるという物
性である。そして、アクセプターおよびドナー不純物の
濃度が高ければ高い程、真性半導体のフェルミ準位Ei
から一層離れる傾向で、P型半導体のフェルミ準位Ef
pは価電子帯の最上限準位Evに近づき、N型半導体の
フェルミ準位Efnは伝導帯の最下限準位Ecに近づき
、両フェルミ準位の差(Efn−Efp)をとれば、こ
れは半導体の持つエネルギー・ギャップEgにより近づ
くことになり、その温度依存性もエネルギー・ギャップ
Egのそれに近くなる。詳しくは後述するが不純物濃度
が高ければ高い程(Efn  ”’fp )の温度依存
性は小さくなり、飽和濃度にできるだけ近い濃度にする
ことが好ましい。
The state of energy levels when a semiconductor is doped with donor and acceptor impurities is well known. In particular, what we have focused on in this invention is that the Fermi energies of N-type and P-type semiconductors are located at 2 points toward the conduction band and valence band, respectively, based on the Fermi energy level E1 of the intrinsic semiconductor. It is a physical property of being separated. The higher the concentration of acceptor and donor impurities, the higher the Fermi level Ei of the intrinsic semiconductor.
The Fermi level Ef of the P-type semiconductor tends to be further away from
p approaches the highest level Ev of the valence band, and the Fermi level Efn of the N-type semiconductor approaches the lowest level Ec of the conduction band, and if we take the difference between both Fermi levels (Efn - Efp), we get this. becomes closer to the energy gap Eg of the semiconductor, and its temperature dependence also becomes closer to that of the energy gap Eg. Although the details will be described later, the higher the impurity concentration, the smaller the temperature dependence of (Efn''fp), and it is preferable to set the concentration as close to the saturation concentration as possible.

フェルミ準位Efo* Efpはドナーおよびアクセプ
ター不純物の濃度だけでなく、ドナーおよびアクセプタ
一単位EdおよびEaにも関係し、この準位Ed、Ea
は不純物材料によって異なる。準位EdおよびEaがそ
れぞれ伝導帯および価電子帯に近い程、フェルミ準位E
fdおよびEfaもそれぞれに近づく。言い換えれば、
ドナーおよびアクセプターの不純物準位Ed、Efが浅
い程、フェルミ準位の差(Efn−Efp)は半導体の
エネルギー・ギャップE8に近くなる。
The Fermi level Efo* Efp is related not only to the concentration of donor and acceptor impurities but also to the donor and acceptor units Ed and Ea, and this level Ed, Ea
varies depending on the impurity material. The closer the levels Ed and Ea are to the conduction band and valence band, respectively, the lower the Fermi level E
fd and Efa also approach each other. In other words,
The shallower the impurity levels Ed and Ef of the donor and acceptor, the closer the Fermi level difference (Efn-Efp) becomes to the energy gap E8 of the semiconductor.

ドナーおよびアクセプターの不純物準位Ed。Donor and acceptor impurity levels Ed.

Efが真性半導体のフェルミ・レベルE1に近い程、す
なわち深い程フェルミ準位の差(Efn−Efp)は半
導体のエネルギー・ギ工ツプEgからより離れる。しか
しながら、このことは必ずしも温度依存性が悪くなるこ
とを意味しているのではなく、フェルミ準位の差(Ef
n −Efp >の絶対値う−小さくなることを意味し
ている。従って、フェルミ準位の差(Efn−Efp)
は、半導体材料および不純物材料固有のものであり、別
の見方をすれば半導体のエネルギー・ギャップE8とカ
テゴリを異にした、ギャップE2と並ぶ基準電圧源と成
り得る。すなわち、フェルミ準位の差(Efn−Efp
)は、それ自体で、PN接合の順方向電圧降下vFやI
GFETのしきい値電圧Vthよりも温度依存性が小さ
く、また製造バラツキに左右されにくい基準電圧源とな
り得、浅いドナー及びアクセプタ準位Ed、Jを示す不
純物材料を使用してフェルミ準位の差(Efn −Ef
p )を取り出すことが、半導体のエネルギー・ギャッ
プ°Egにほぼ近い値の電圧を取り出す一つの方法とな
り得る訳である。一方、得られる電圧値の設定に関して
言えば、半導体のエネルギー・ギャップに相当するだけ
の比較的大きい基準電圧を得ることを目的とする場合に
は、浅い準位を示す不純物を使用し、比較的小さい基準
電圧を得ることを目的とする場合には深い準位を示す不
純物を使用すれば良い。
The closer Ef is to the Fermi level E1 of the intrinsic semiconductor, that is, the deeper it is, the farther the Fermi level difference (Efn-Efp) is from the semiconductor's energy gap Eg. However, this does not necessarily mean that the temperature dependence becomes worse, but rather the Fermi level difference (Ef
This means that the absolute value of n - Efp becomes smaller. Therefore, the Fermi level difference (Efn-Efp)
is unique to semiconductor materials and impurity materials, and from another perspective, it can serve as a reference voltage source along with the gap E2, which is in a different category from the semiconductor energy gap E8. In other words, the Fermi level difference (Efn-Efp
) itself is the forward voltage drop vF and I of the PN junction.
It has less temperature dependence than the threshold voltage Vth of a GFET, and can serve as a reference voltage source that is less affected by manufacturing variations. (Efn −Ef
p ) can be one way to extract a voltage that is approximately close to the energy gap °Eg of the semiconductor. On the other hand, when it comes to setting the voltage value to be obtained, if the purpose is to obtain a relatively large reference voltage equivalent to the energy gap of a semiconductor, an impurity exhibiting a shallow level is used, and a relatively large reference voltage is used. If the purpose is to obtain a small reference voltage, an impurity exhibiting a deep level may be used.

フェルミ準位Efとドナー準位Ed、アクセプタ準位E
。、ドナー濃度1’td 、アクセプタ濃度Naおよび
温度Tとの関係については第2図および第3図を参照し
て更に詳しく説明するが、それに先立ち、Ge、Siお
よd Ga A s半導体に対して各不純物がどのよう
な準位を示すかを理解し、本発明ではそれらの不純物を
いかに利用するかを理解するために、前述の文献第30
頁のデータを第4図として再掲し、説明を加える。
Fermi level Ef, donor level Ed, acceptor level E
. , donor concentration 1'td, acceptor concentration Na, and temperature T will be explained in more detail with reference to Figs. 2 and 3. In order to understand what level each impurity exhibits and how to utilize these impurities in the present invention, the above-mentioned document No.
The data on the page is reproduced as Figure 4 and an explanation is added.

第3図(a)、Φ)および(C)は、それぞれ、Ge。FIGS. 3(a), Φ) and (C) are Ge.

SiおよびGaA sに対する各種不純物のエネルギー
分布を示す図であり、各図における数字は、破線で表わ
されたギャップの中心E1から上側に位置する準位につ
いては伝導帯の最下限準位E。か9らのエネルギー差(
Eo−Ed)を示し、下側に位置する準位については価
電子帯の最上限準位Evからのエネルギー差(Ea−E
V)を示し、その単位はいずれも(eV)である。
It is a figure showing the energy distribution of various impurities with respect to Si and GaAs, and the numbers in each figure are the lowest level E of the conduction band for the level located above the center E1 of the gap represented by the broken line. The energy difference between (
Eo-Ed), and for the lower level, the energy difference from the uppermost level Ev of the valence band (Ea-E
V), and the unit is (eV).

従って、同図において小さい数値で示された不純物材料
はその単位が伝導帯の最下限準位E。若しくは価電子帯
の最上限準位Evに近いことを表わしており、エネルギ
ー・ギヤ、プE8に近い電圧を得る不純物としてふされ
しい。例えば現在量もひんばんに所用されているSiに
対しては、Li、Sb、P、AsおよびB1のドナー不
純物およびB、A、6およびGaのアクセプター不純物
の示す準位差(Eo−Ed)、(Ea−Ev)が最も小
さく、それぞれの準位差はいずれもSiのエネルギー・
ギャップEgの約6%以下である。
Therefore, the unit of impurity materials indicated by small numbers in the figure is the lowest level E of the conduction band. Alternatively, it indicates that it is close to the uppermost level Ev of the valence band, and is suitable as an impurity that obtains a voltage close to the energy gear E8. For example, for Si, which is currently widely used, the level difference (Eo-Ed) of donor impurities of Li, Sb, P, As, and B1 and acceptor impurities of B, A, 6, and Ga is , (Ea-Ev) is the smallest, and each level difference is the energy of Si.
It is about 6% or less of the gap Eg.

これらの不純物を使用したN型SiおよびP型Siのフ
ェルミ準位の差(Efd  ”’fa )は、OKから
の温度変化を無視すれば、Siの゛エネルギー・ギャッ
プEgの約94%〜97%となり、はぼEgに等しい値
となる。また、上記不純物の次に小さい準位差(”c 
 Ed)、(Ea−Ev)を示すドナー不純物はS(E
gの約16%)で、アクセプター不純物はIn(E’、
の約14%)であり、各不純物を使用したN型Siおよ
びP型Siのフェルミ準位の差(Efd−Efa)はO
Kにおいて約0.85E、となり、Slのエネルギー・
ギャップE8のずれは約15%にも及び、上述の不純物
に対してずれは極端に開くことが判る。
The Fermi level difference (Efd ``'fa) between N-type Si and P-type Si using these impurities is approximately 94% to 97% of the energy gap Eg of Si, if the temperature change from OK is ignored. %, which is approximately equal to Eg.Also, the next smallest level difference ("c") of the above impurity is
The donor impurity exhibiting S(Ed) and (Ea-Ev) is S(E
(approximately 16% of g), and the acceptor impurity is In(E',
(approximately 14% of O
It is about 0.85E at K, and the energy of Sl is
It can be seen that the deviation of the gap E8 is as much as about 15%, and the deviation becomes extremely wide due to the above-mentioned impurities.

以下余白 i/ 従って、8皿のエネルギー・ギヤノブE8にほぼ等しい
電圧を得るためのP型およびN型Siの不純物材料とし
ては、Li+Sb、P*AsおよびBiのグループから
選択された1つのドナー不純物およびB 、 A[およ
びGaのグループから選択された1つのアクセプター不
純物が好適であり、その他の不純物はSiのエネルギー
・ギャップE8よりかなり小さい電圧を得る目的に好適
であろう。
Margin below i/ Therefore, one donor impurity selected from the group of Li+Sb, P*As and Bi is used as the impurity material for P-type and N-type Si to obtain a voltage approximately equal to the 8-dish energy gear knob E8. One acceptor impurity selected from the group B, A[ and Ga is preferred; other impurities would be suitable for the purpose of obtaining voltages significantly smaller than the energy gap E8 of Si.

フェルミ準位Efの物性 次に、フェノペ準位の差(Efn−Ef、 )について
、第2図を参照して物性的な説明をする。第2図は半導
体のエネルギー準位を示す図であり、同図(a)および
(b)はそれぞれN型半導体のエネルギー準位モデルと
その温度特性を示し、同図(c)および(d)はそれぞ
れP型半導体のエネルギー準位モデルとその温度特性を
示している。
Physical Properties of Fermi Level Ef Next, the physical properties of the Fenopé level difference (Efn-Ef, ) will be explained with reference to FIG. Figure 2 is a diagram showing the energy levels of semiconductors; Figures (a) and (b) respectively show the energy level model of an N-type semiconductor and its temperature characteristics; Figures (c) and (d) Each shows an energy level model of a P-type semiconductor and its temperature characteristics.

半導体中のキャリアはドナーの不純物Ndのうち、イオ
ン化して生じた電子ndと価電子帯より特開昭Gl−2
1515(6) 励起された電子及びホールのペアーである。不純物Nd
が十分大きい時は励起された電子及びホールのペアーが
無視でき、伝導電子の数nはn * n d     
        ・・印・(1)となる。ndはドナー
準位にトラップされる確率“から、またnは、伝導帯に
存在する電子数から求められ、各々 となる。ここで、   ・ h’ h;ブランク定数、m*;電子の有効質量これより、 となり、 ・・・(5) となる。
Carriers in a semiconductor are generated from electrons nd generated by ionization of the donor impurity Nd and the valence band.
1515(6) is an excited electron and hole pair. Impurity Nd
When is large enough, the excited electron and hole pairs can be ignored, and the number of conduction electrons n is n * n d
・It becomes (1). nd is determined from the probability of being trapped in the donor level, and n is determined from the number of electrons existing in the conduction band, respectively. Here, h' h: Blank constant, m*: Effective mass of electron From this, it becomes...(5).

ここで、フェルミ・準位は、ECに接近した位置にある
場合を相定しているから(5)式の第一項は無視できて となる。
Here, since the Fermi level is determined to be at a position close to EC, the first term of equation (5) can be ignored.

この式の示すところは温度が低い時はもちろん、に位置
し、温度の依存性は、Eoの温度特性にほぼ等しくなる
This equation shows that when the temperature is low, the temperature dependence is approximately equal to the temperature characteristic of Eo.

但し、温度が十分高(なった場合には、・価電子帯から
励起された電子とホールのペアーから多数となり、不純
物の影響は少な(なり、フェルミ・準位は真性半導体の
準位E、に近ずく。以上の関係を示したものが、第1図
(b)である。
However, when the temperature is high enough, the number of pairs of electrons and holes excited from the valence band becomes large, and the influence of impurities becomes small, and the Fermi level becomes the level E of an intrinsic semiconductor. The above relationship is shown in FIG. 1(b).

第1図(c)のようなアクセプター不純物だけを含んだ
P型半導体の場合も全く同様で、低温の時及び、アクセ
プター不純物濃度が大きい場合には、フェルミ準位は、
価電子帯の上端とアクセプター準位の中間にほぼ位置し
温度が高くなると真性半導体のフェルミ・準位に近づい
ていく。
The same is true for a P-type semiconductor containing only acceptor impurities as shown in Figure 1(c); at low temperatures and when the acceptor impurity concentration is high, the Fermi level is
It is located approximately between the top of the valence band and the acceptor level, and as the temperature increases, it approaches the Fermi level of an intrinsic semiconductor.

この関係を示したものが第1図(d)である。This relationship is shown in FIG. 1(d).

フェルミ準位Efの温度特性と不純物濃度との関係−具
体例 フェルミ準位Efp j Efnの温度依存性と不純物
濃度との関係について物性的な説明をしたが、次に、現
在量も多く実用されている81半導体を具体例として、
前述の著書37頁のデータを参考にして、実用化する際
のフェルミ準位の差(Efn−Efp)とその温度依存
性について説明する。第3図にそのデータを再掲する。
The relationship between the temperature characteristics of the Fermi level Ef and the impurity concentration - Specific examples We have explained the physical properties of the relationship between the temperature dependence of the Fermi level Efp j Efn and the impurity concentration. As a specific example of 81 semiconductors,
The Fermi level difference (Efn-Efp) and its temperature dependence in practical use will be explained with reference to the data on page 37 of the aforementioned book. The data is reproduced in Figure 3.

通常のSj半導体集積回路製造プロセスにおいて不純物
材料としてはもっばらボロンB、リンPが使用され、そ
の不純物濃度の高いところでは101020(ato/
m3)であるが、不純物濃度をそれより2桁低い101
8(atoms10rn3)としても、第3図から読み
取れるように、N型半導体とP型半導体のフェルミ・準
位の差(Efn−Efp)は、300’Kにおいて0.
5−(−□、5 ) −1,0(eV)であり、同温度
でのエネルギーギャップE gす1.1 e Vに比較
的近い値となる。温度に対する変化は200’Kから4
00°K (−70℃〜130℃)の範囲で、約1.0
4 (eV)がら0.86(eV)の変化で、変化率は
、0.9(mV/’C) である。これは先に述べたI
GFETのしきい値電圧■th及び、ダイオードの順方
向降下電圧vFの温度に対する変化率が2〜3mV/℃
であるのに対し約1/3の小さい値である。
In the normal SJ semiconductor integrated circuit manufacturing process, boron B and phosphorus P are mostly used as impurity materials, and in areas where the impurity concentration is high, 101020 (ato/
m3), but the impurity concentration is two orders of magnitude lower than that of 101.
8 (atoms10rn3), as can be read from FIG. 3, the Fermi level difference (Efn-Efp) between the N-type semiconductor and the P-type semiconductor is 0.8 at 300'K.
5-(-□, 5)-1.0 (eV), which is a value relatively close to the energy gap Egsu1.1 eV at the same temperature. The change with temperature is 4 from 200'K.
Approximately 1.0 in the range of 00°K (-70°C to 130°C)
4 (eV) to 0.86 (eV), and the rate of change is 0.9 (mV/'C). This is the I mentioned earlier
The rate of change of GFET threshold voltage th and diode forward drop voltage vF with respect to temperature is 2 to 3 mV/℃
This is a small value of about 1/3 compared to .

不純物濃度が1020cyx−3以上であればシリコン
・エネルギーギャップ(Eg)Si=1.1(v)にほ
ぼ等しくなり、温度の変化率は約0.2 in V /
 ”Cとなり、十分小さい値となる。
If the impurity concentration is 1020 cyx-3 or higher, the silicon energy gap (Eg) is approximately equal to Si = 1.1 (v), and the rate of change in temperature is approximately 0.2 in V /
”C, which is a sufficiently small value.

従って、不純物濃度は約IQ18(1m−3以上であれ
ば少く共従来より1/2〜1/3に小さくされた温度依
存性を得ることができ、更に好ましくは1020傭−3
以上(約l/10に改善)、更に最も好ましくは飽和濃
度である。
Therefore, if the impurity concentration is about IQ18 (1 m-3 or more), it is possible to obtain a temperature dependence that is 1/2 to 1/3 smaller than the conventional one, and more preferably 1020 m-3 or more.
or higher (improved to about 1/10), and most preferably saturation concentration.

禅と実例 では、このフェルミ準位の差(Efn−Efp)ニ相当
する電圧はいかなる原理に基すいて取り出すことができ
るのか、その−例は、同一半導体基体表面に形成された
導電塵の異なる半導体ゲート電極を有する2つのMOS
FETのしきい値電圧Vthの差を利用することである
。以下その具体例を説明する。  。
In Zen and the actual example, on what principle can the voltage corresponding to the Fermi level difference (Efn-Efp) be extracted? Two MOSs with semiconductor gate electrodes
This method utilizes the difference in threshold voltage Vth of the FETs. A specific example will be explained below. .

第5図は各FETの概念的な断面構造を表わしたもので
ある。以後簡単のため、P+型半導体をゲート電極とし
たMOS)ランジスタをP+グー)MOS、N+型半導
体をゲート電極としたMQSトランジスタをN+ゲート
MO8と言うこととする。第6図は、一般のCMOS製
造工程において上記P+グー)MOS及び、N+ダグ−
MOSが何ら〆の工程の変化及び追加をすることな(、
製造できることを糸す主要工程の断面図である。
FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional structure of each FET. Hereinafter, for the sake of simplicity, a MOS transistor with a gate electrode of a P+ type semiconductor will be referred to as a P+ MOS transistor, and an MQS transistor with a gate electrode of an N+ type semiconductor will be referred to as an N+ gate MO8. Figure 6 shows the above P+Goo) MOS and N+Dag-MOS in the general CMOS manufacturing process.
MOS does not require any changes or additions to the final process (,
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main steps that demonstrate what can be manufactured.

ンを、P−チャンネルMO8)ランジスタの場合につい
て、断面構造と合せて、表わしたものである。
This figure shows the cross-sectional structure of a P-channel MO8) transistor.

第7図において、セルフ・アライン構造とするために、
ゲート電極のソース及び、ドレインに接した両端部には
、この場合P−チャネルーMOSトランジスタであるか
ら、P+ゲートMOS。
In Fig. 7, in order to obtain a self-aligned structure,
At both ends of the gate electrode in contact with the source and drain, there is a P+ gate MOS because it is a P-channel MOS transistor in this case.

N+ゲー)MOSの両者ともP不純物が拡散される。ゲ
ート電極の中央には、P+グー)MOSはP型不純物が
、N+ゲー)MOSはN型不純物が拡散される。前記の
ソース及びドレインと接した両端部と中央の領域との間
には、何も不純物を拡散しない領域■を設けて、P+グ
ー)MOSとN+ゲー)MOSの相違点が単にゲート中
央の領域のP型半導体であることと、N型半導体である
ことのみになるよう配慮されている。
P impurities are diffused into both N+Ga and MOS transistors. In the center of the gate electrode, a P-type impurity is diffused for a P+GMOS and an N-type impurity is diffused for an N+GMOS. A region (2) in which no impurity is diffused is provided between the central region and both ends in contact with the source and drain, and the difference between P+GMOS and N+GMOS is simply the region at the center of the gate. Care has been taken to ensure that the semiconductor is only a P-type semiconductor and an N-type semiconductor.

さらに、セルフ・アラインのためにとったゲートのP型
不純物拡散領域が、マスクの合わせの誤差により、製造
時において、左右(ソース側あるいはドレイン側)の一
方に片寄ったことKよるMOS)ランジスタの実効的な
チャネル長のずれ(変化)が極力少なくなるように、ソ
ース領域とドレイン領域の列をり互に配置し、かつ全体
的に左半分と右半分がチャンネル方向に対して線対称と
なるように配置される。従って、マスク合わせのチャン
ネル方向に対する(左右)のズレが各列のFETの実効
チャンネル長に変化を及ぼしても、並列に接続された各
列のP+ゲートMOSとN+ゲー)MOSの平均的な実
効チャンネル長は、全体的にズレが相殺されほぼ一定と
なる。
Furthermore, the P-type impurity diffusion region of the gate, which was taken for self-alignment, was biased to one side (source side or drain side) during manufacturing due to mask alignment errors. The rows of source and drain regions are arranged alternately so that the deviation (change) in the effective channel length is minimized, and the left and right halves are symmetrical with respect to the channel direction. It is arranged like this. Therefore, even if the mask alignment (left and right) deviations in the channel direction change the effective channel length of the FETs in each column, the average effective channel length of the parallel-connected P+ gate MOS and N+ gate MOS in each column The channel length becomes almost constant as the deviations are canceled out as a whole.

第6図は、通常のシリコンゲー)CMOS製造プロセス
において、いかにしてP+グー1−MOS及びN+  
 トMO8が構成されるかを示したもゲー のである。
Figure 6 shows how P+1-MOS and N+
This also shows how MO8 is configured.

(a1図において、101は比抵抗1Ω菌〜8Ω融のN
型シリコン半導体で、その上に熱酸化膜102を40o
oX〜16000X程度に成長させ、ホトエツチング技
術により、選択的に拡散のための窓をあける。P型不純
物となるボロンを50 K e V〜200I(eVの
エネルギーで1011〜1010l3′−2程度の量で
イオン打込みを行い、その後8時〜20時間程度熱拡散
してNチャンネルMOS)ランジスタの基板であるP−
ウェル103を形成する。
(In figure a1, 101 is N for specific resistance 1Ω bacteria to 8Ω melting.
type silicon semiconductor, with a thermal oxide film 102 on it at 40°C.
It is grown to about 0x to 16,000x, and windows for diffusion are selectively opened using photoetching technology. Boron, which becomes a P-type impurity, is implanted at 50 K e V to 200 I (eV energy in an amount of about 1011 to 1010 l3'-2, and then thermally diffused for about 8 to 20 hours to form an N-channel MOS) transistor. The substrate P-
A well 103 is formed.

(b)図において、熱酸化膜102を除去し、熱酸化膜
104を1μm〜2μm程形成しMOS)ランジスタの
ソース、ドレインおよびゲートとなる領域をエツチング
により除去する。その後300八〜1500A程度のゲ
ート酸化膜105を形成する。
(b) In the figure, the thermal oxide film 102 is removed, a thermal oxide film 104 is formed with a thickness of about 1 μm to 2 μm, and the regions that will become the source, drain, and gate of a MOS transistor are removed by etching. Thereafter, a gate oxide film 105 of about 3008 to 1500 Å is formed.

その上に多結晶Si 106を2000A〜600(1
程成長させ、MOS)ランジスタのゲート部を残してエ
ツチングにより除去する。
On top of that, polycrystalline Si 106 is placed at 2000A~600(1
It is then removed by etching, leaving only the gate portion of the MOS transistor.

(c1図において、気相成長により酸化膜107を形成
し、P型不純物を拡散する領域をホトエツチング技術に
より除去する。その後、1020〜102101n−3
程の高濃度のP型不純物となるボロンを拡散し、Pチャ
ンネルMO8)ランジスタのソース。
(In Figure c1, an oxide film 107 is formed by vapor phase growth, and a region where P-type impurities are diffused is removed by photoetching. Then, 1020 to 102101n-3
Boron, which becomes a P-type impurity, is diffused at a high concentration to form the source of a P-channel MO8) transistor.

ドレイン領域108を形成し、同時にP型半導体′のゲ
ート電極を形成する。
A drain region 108 is formed, and at the same time a gate electrode of a P-type semiconductor' is formed.

(d)図において、先と同様に気相成長により酸化膜1
09を形成し、N型不純物を拡散する領域をホトエツチ
ング技術により除去する。その後、1020〜IQ”0
171−3程度の高濃度のN型不純物となるリンを拡散
し、NチャンネルMOSトランジスタのソース、ドレイ
ン領域110を形成し、同時にN型半導体のゲート電極
を形成する。
(d) In the figure, an oxide film 1 is formed by vapor phase growth as before.
09 is formed, and the region in which the N-type impurity is diffused is removed by photoetching. After that, 1020~IQ”0
Phosphorus serving as an N-type impurity with a high concentration of about 171-3 is diffused to form the source and drain regions 110 of the N-channel MOS transistor, and at the same time form the gate electrode of the N-type semiconductor.

(e)図において、酸化膜109を除去し、気相成長に
より4000A〜8000A程度の酸化膜111を形成
し、電極取り出し部をホトエツチング技術に−より除去
する。その後1金属(A[)を蒸着し、ホトエツチング
技術により電極配線部分子12を形成する。
(e) In the figure, the oxide film 109 is removed, an oxide film 111 of about 4000A to 8000A is formed by vapor phase growth, and the electrode lead portion is removed by photoetching. Thereafter, a metal (A[) is deposited, and electrode wiring portion molecules 12 are formed by photoetching.

(f)図において、気相成長により1μrrL〜2μm
の酸化膜で覆う。
(f) In the figure, 1 μrrL to 2 μm by vapor phase growth.
covered with an oxide film.

次に、ゲートは電極として半導体を用。いたMOSトラ
ンジスタのしきい値電圧について、第8図に従って説明
する。まずP+ゲートMOSの場合については、第8図
(a)のエネルギーバンド図よりφM φ5 であることが示される。
Next, the gate uses a semiconductor as an electrode. The threshold voltage of the MOS transistor will be explained with reference to FIG. First, in the case of a P+ gate MOS, the energy band diagram of FIG. 8(a) shows that φM φ5.

但しここで ■。;半導体基板とゲート電極(p+半導
体)との電位差 X ;電子親和力、E8;エネルギー・ギャップ φ5;N型半導体基板の表面ポテン シャル φF’P” ;真性半導体のフェルミ・ポテンシャルを
基準としたP型半 導体のフェルミ・ポテンシャル φF;真性半導体のフェルミ・ポテ ンシャルを基準としたN型半 導体基板のフェルミ・ポテン シャル q ;電子の単位電荷 ■o;絶縁物に加わる電位差 Eo;伝導帯のエネルギー準位の下 限 Ev;価電子帯のエネルギー準位の 上限 El;真性半導体のフェルミ・準位 (方式において、ゲート電極の仕事関数をポテンシャル
で表わしてφMP十とし、又半導体の仕事関数を同様に
φ81とすると であるから、 Vo=−V、+φヤーφ8□−φ3     ・・・(
10)となる。
However, here ■. ; Potential difference X between the semiconductor substrate and the gate electrode (p+ semiconductor); Electron affinity, E8; Energy gap φ5; Surface potential of the N-type semiconductor substrate φF'P"; P-type semiconductor based on the Fermi potential of an intrinsic semiconductor Fermi potential φF; Fermi potential q of the N-type semiconductor substrate based on the Fermi potential of the intrinsic semiconductor; unit charge of an electron ■o; potential difference Eo applied to the insulator; lower limit Ev of the energy level of the conduction band; Upper limit El of the energy level of the valence band: Fermi level of the intrinsic semiconductor (in the method, the work function of the gate electrode is expressed as a potential and is φMP0, and the work function of the semiconductor is similarly φ81. , Vo=-V, +φyaφ8□-φ3...(
10).

また第8図(b)の電荷の関係より COX ・Vo + Qss +Q 1 +QB = 
O−・、−01)である。゛ここで co’x;単位面積当り、絶縁物の容量Qssv絶縁物
中の固定電荷 QB;半導体基板中不純物のイオン 化による固定電荷 Qi;チャンネルとして形成された キャリア α0)、(+11より −COX(’Vc+φMP+−φ8−φ5.f)+ Q
s B + Q i +QD= O・・・(lりとなる
Also, from the charge relationship shown in Figure 8(b), COX ・Vo + Qss +Q 1 +QB =
O-・, -01).゛Here, co'x; capacitance of the insulator per unit area Qssv fixed charge in the insulator QB; fixed charge Qi due to ionization of impurities in the semiconductor substrate; carriers formed as a channel α0), (from +11 -COX( 'Vc+φMP+-φ8-φ5.f)+Q
s B + Q i +QD= O...(l).

チャンネルQiができる時のゲート電圧■。が、しきい
値電圧であるから、P+ゲー)MO8Lきこの時φ8−
=2φ、である。
Gate voltage when channel Qi is formed■. is the threshold voltage, so in this case, φ8-
=2φ.

以下同様にして、N+ゲートMOSトランジスタにおい
てはゲート電極の仕事関数φMN+のみの相違で である。従ってそのしきい値電圧VthN+はここでφ
8−2φF となる。
Similarly, in the N+ gate MOS transistors, the only difference is the work function φMN+ of the gate electrode. Therefore, its threshold voltage VthN+ is now φ
It becomes 8-2φF.

これよりP+ゲートMO8とN+ゲートMO8のしきい
値電圧の差vthp”  ’thN+は、vthp+V
ilIN”’l’MP”−φMN””φFP”−φFN
+・・・06) ・となり、ゲート電極を構成している半導体のフェルミ
・ポテンシャルの差になる。これは第8図において(a
) 、 (c)を比較して、同じ電荷分布になる時のゲ
ート電圧が、ゲート電極の仕事関数差であり、フェルミ
・準位の差になっていることで容易に理解できる。
From this, the difference between the threshold voltages of P+ gate MO8 and N+ gate MO8, vthp'''thN+, is vthp+V
ilIN"'l'MP"-φMN""φFP"-φFN
+...06) ・This is the difference in the Fermi potential of the semiconductors forming the gate electrode. This is shown in Figure 8 (a
) and (c), it can be easily understood that the gate voltage when the charge distribution is the same is the difference in the work function of the gate electrodes, which is the difference in the Fermi level.

以上の説明は、P−チャンネル型MO8)ランジスタの
例とした場合であるが、N−チャンネル型MO8)ラン
ジる夕の場合も全く同様である。
The above explanation is based on the example of a P-channel type MO8) transistor, but the same applies to the case of an N-channel type MO8) transistor.

次にMO8)ランジスタのVthの差を取り出す回路に
ついて説明する。
Next, a circuit for extracting the difference in Vth of MO8) transistors will be explained.

以下に説明する回路は上述したフェルミ準位の差(Ef
n−Efp ) を取り出すための一方法となり得るが
、その他一般的に、異なるVthを持つFET (7)
 vthの差に基ず(電圧を基準電圧として利用する基
準電圧発生装置として応用できる。
The circuit explained below is based on the Fermi level difference (Ef) mentioned above.
This can be one way to extract n-Efp), but other methods generally include FETs with different Vth (7)
It can be applied as a reference voltage generator that uses the voltage as a reference voltage based on the difference in vth.

第9図(b)は、MO8)ランジスタのしきい値電圧に
対応する電圧を発生する回路である。T、  IT2は
ドレインとゲートが共通に接続された、いわゆるMOS
ダイオードを構成している。
FIG. 9(b) shows a circuit that generates a voltage corresponding to the threshold voltage of the MO8 transistor. T, IT2 is a so-called MOS whose drain and gate are connected in common.
It constitutes a diode.

1、は定電流源、T、、T2は異なるしきい値電圧■t
h1.■th2とほぼ等しい相互コンダクタンスβを持
つMOS F ETであり、各々のドレイン電圧をV、
、V2とすれば 1、=−β(V+ −■th+)2 であるから V+ =vthx + fi了5テ    ・(181
V2 = Vthz + J’2〒、 /I    ’
  −(I’llとなり、ドレイン電圧の差をとれば、
しきい値電圧の差を取り出すことができる。
1 is a constant current source, T, , T2 is a different threshold voltage t
h1. ■It is a MOS FET with mutual conductance β almost equal to th2, and each drain voltage is set to V,
, V2 is 1, = -β(V+ -■th+)2, so V+ = vthx + firy5te (181
V2 = Vthz + J'2〒, /I'
-(I'll, and if we take the difference in drain voltage,
The difference in threshold voltage can be extracted.

定電流源としては、十分大きな抵抗を使っても良く、特
性のそろったものであれば、拡散抵抗。
As a constant current source, you can use a sufficiently large resistor, and as long as it has the same characteristics, you can use a diffused resistor.

多結晶Si抵抗、イオン打込みによって作られた抵抗、
MO3)ランジスタによる抵抗を使用することができる
Polycrystalline Si resistor, resistor made by ion implantation,
MO3) A resistor based on a transistor can be used.

この回路でTI  、T2 として先に説明したN+ゲ
ー)MO8及びP+ゲー1−MO8を使用すれば、しき
い値電圧の差とほぼ等しい値の、N型半導体とP型半導
体のフェルミ・準位の差(Efn−Efp)を取り出す
ことができる。
In this circuit, if the N+Ge) MO8 and P+Ge1-MO8 explained earlier as TI and T2 are used, the Fermi level of the N-type semiconductor and the P-type semiconductor will be approximately equal to the difference in threshold voltage. The difference (Efn - Efp) can be extracted.

なお、ゲート電極の組成を変えること以外にも、例えば
チャンネルへのイオン打込み、ドープド・ゲート・オキ
サイド、ゲート絶縁膜の厚さの変更等により異なるしき
い値電圧を持たせることが可能であるが、これを第9図
の回路に適用すれば、イオン打込み量竺対応したしきい
値電圧の差、ゲート絶縁膜中にドープされた不純物量お
よびゲート絶縁膜の厚さに応じたしきい値電圧の差を同
様に基準電圧として取り出すことができる。
In addition to changing the composition of the gate electrode, it is also possible to create a different threshold voltage by, for example, implanting ions into the channel, doping the gate oxide, changing the thickness of the gate insulating film, etc. , if this is applied to the circuit shown in Figure 9, the difference in threshold voltage corresponding to the amount of ion implantation, the threshold voltage depending on the amount of impurity doped into the gate insulating film and the thickness of the gate insulating film. The difference between can be similarly extracted as a reference voltage.

例えばイオン打込み法は、打込み量が電流の形でモニタ
ー出来るため、不純物濃度の精度が、通常の拡散に比較
して極めて良いことは公知のところであるが、第10図
はこの様子を示したものである。イオン打込み以前のM
OSトランジスタの特性がT、であるとして、それが製
造時に個々にバラツキ、イオン打込み後に△Vthだけ
のしきい値の変化し、個々にバランいたとしても、両者
のしきい値電圧の差であるΔVthは、イオン打込み量
で決まるために極めてバラツキが少な(、同様に製造バ
ラツキの少ない基準電圧として使用できる。つまり、イ
オン打込みをしないMOS)ランジメタT、のしきい値
電圧をV thtとすると(151式であり、イオン打
込みによる基板の画定電荷の増分をΔQBとするとイオ
ン打込みされたMOS)ランジメタT2のしきい値電圧
Vthzはとなり となる。このしきい値電圧の差電圧の温度変化は、ΔQ
B力田まとんど温度変化に対して一定であるため、極め
て小さい。
For example, it is well known that in the ion implantation method, the implantation amount can be monitored in the form of current, so the accuracy of impurity concentration is extremely good compared to normal diffusion. Figure 10 shows this situation. It is. M before ion implantation
Assuming that the characteristics of an OS transistor is T, there are individual variations during manufacturing, the threshold value changes by △Vth after ion implantation, and even if each individual is balanced, the difference in threshold voltage between the two is ΔVth has extremely little variation because it is determined by the amount of ion implantation (and can also be used as a reference voltage with little manufacturing variation; in other words, a MOS without ion implantation). 151, and if the increment in the defined charge of the substrate due to ion implantation is ΔQB, then the threshold voltage Vthz of the ion implanted MOS range metal T2 is as follows. The temperature change in this threshold voltage difference voltage is ΔQ
B is extremely small because it remains constant against temperature changes.

またイオン打込み量によって基準電圧が自由に変えるこ
とができ、シングル・チャンネルMOS製造工程でも容
易に実現することができるのも大きな利点である。
Another great advantage is that the reference voltage can be freely changed depending on the amount of ion implantation, and that it can be easily realized even in a single channel MOS manufacturing process.

以下余白 〜              マ         
         ン     9第11図および第1
2図は、異なるしきい1直電圧を持つFE’PをMOS
ダイオード・形式に直列に接続して、しきい値電圧の差
を取・り出す回路例である。T、はしきい値電圧■tl
、1.T2はしきい値電圧Vth2を持っているとする
Below is the margin ~ Ma
9 Figure 11 and Figure 1
Figure 2 shows the MOS FE'P with different threshold 1 direct voltages.
This is an example of a circuit that connects a diode in series and extracts the difference in threshold voltage. T is the threshold voltage ■tl
, 1. It is assumed that T2 has a threshold voltage Vth2.

抵抗R2がT、のインピーダンスに比較して十分太き(
、抵抗R2がT2のインピーダンスに比較して十分大き
い条件では ”−■2÷■tht         ’、””’f2
3)V1÷v1h2        ・・・・・・(2
4)ゆえに、■2÷” t h 2      ・・団
・(20hl となる。
Resistor R2 is sufficiently thick compared to the impedance of T (
, under the condition that the resistance R2 is sufficiently large compared to the impedance of T2, "-■2÷■tht',""'f2
3) V1÷v1h2 (2
4) Therefore, ■2 ÷” t h 2 ... group (20 hl).

第13図(alは、容量の両端子にしきい値電圧に対応
する電圧を加え、容量に保持された電圧を差電圧として
取り出すものである。第13図thtはその動作タイミ
ングを表わしたものである。クロックパルスφ、により
T、、T、をオンさせて容量C1にT1、T2のしきい
値電圧Vthl ” th2の差電圧をチャージする。
Figure 13 (al) applies a voltage corresponding to the threshold voltage to both terminals of the capacitor and extracts the voltage held in the capacitor as a differential voltage. Figure 13 (tht) shows the operation timing. The clock pulse φ turns on T, , T, and charges the capacitor C1 with the difference voltage between the threshold voltages Vthl and th2 of T1 and T2.

φ1が切れた後、クロックφ2によりT3をオンさせC
Iのノード■を接地する。この時C1にはしきい値電圧
の差電圧が保持されているから、ノード■にはその電位
をそのままでる。後で述べるような電圧検出回路に使用
する場合には、この時のノード■の電位をそのまま基準
電圧として使用することもできる。がより一般的な形で
使用できるためには、クロックφ2が入っている時間内
にクロックφ、によってトランス・ミソションゲ−)T
6 、T7をオンさせて、容量C2にその電位をとり込
み、演算増幅器5の逆相入力(−)へ出力を全面帰還し
た、いわゆるボルテージ・フォロアで受ければ、その出
力として、十分内部インピーダンスの低い状態で、T1
 、T2のしきい値電圧の差が基準電圧として得られる
After φ1 is cut off, T3 is turned on by clock φ2 and C
Ground the node ■ of I. At this time, since the differential voltage between the threshold voltages is held in C1, that potential is output as is to the node (2). When used in a voltage detection circuit as described later, the potential of node (2) at this time can be used as it is as a reference voltage. In order for T
6. If T7 is turned on, the potential is taken into the capacitor C2, and the output is fully fed back to the negative phase input (-) of the operational amplifier 5, so-called a voltage follower. In the low state, T1
, T2 is obtained as a reference voltage.

第14図は同様に容量C2を利用した基準電圧発生装置
である。クロックφ1によりT、をオンさせる。この時
T9はクロックφ2によりオフ状態である。ノード■の
電位はノード■の電位よりT、のしきい値電圧■th□
だけ下がり、ノード■の電位はノード■の電位よりT2
のしきい値電圧■th、だけ下がり、容量Cの両端には
両者の差電圧がチャージされる。次にφ、によ、すT8
をオフし、φ2によりT9をオンさせる、とノード■に
しきい値電圧の差電圧が得られる。
FIG. 14 shows a reference voltage generating device that similarly utilizes the capacitor C2. T is turned on by clock φ1. At this time, T9 is in an off state due to clock φ2. The potential of node ■ is T, the threshold voltage of ■th□ is higher than the potential of node ■.
The potential of node ■ is T2 lower than the potential of node ■.
is lowered by the threshold voltage ■th, and the difference voltage between the two is charged across the capacitor C. Next, φ, T8
When T9 is turned off and T9 is turned on by φ2, a voltage difference between the threshold voltages is obtained at node (2).

第15図は、第13図の回路で使用される公知の演算増
幅器を示したものである。T、、T2は差動増幅回路を
構成している差動対であり、T5+T6はその能動負荷
である。T7は、T3 、T4によるバイアス回路と共
に定電流回路を構成している。T6 、T7はT、を定
電流源負荷とするレベル・変換兼用カバソファー回路で
ある。図ではC−・MOSでの回路構成例を示したが、
シングル・ギヤ1.青、ルMO8でも構成できることは
言うまでも八・汐 まだこの演算増幅器において、差動増幅回路を構成する
差動対T、、T2に、先に述べた方法により異なるしき
い値電圧■  、■  を持たせthl    th2 ることにより、そのしきい値電圧の差を基準電圧として
利用あるいは取り出すことができ、これは従来にみられ
ない演算増幅器の応用である。
FIG. 15 shows a known operational amplifier used in the circuit of FIG. 13. T, , T2 are a differential pair constituting a differential amplifier circuit, and T5+T6 is an active load thereof. T7 constitutes a constant current circuit together with a bias circuit formed by T3 and T4. T6 and T7 are level conversion/cover sofa circuits in which T is a constant current source load. The figure shows an example of a C-MOS circuit configuration,
Single gear 1. It goes without saying that it can also be configured with MO8.In this operational amplifier, the differential pairs T, , T2 that make up the differential amplifier circuit are given different threshold voltages by the method described above. By having thl th2 , the difference between the threshold voltages can be used or extracted as a reference voltage, and this is an application of an operational amplifier that has not been seen in the past.

第16図は、その差動部分のみを取り上げて一般的な演
算増幅器を概略的に表わしたものであるが、ここでMO
S)ランジスタT、、T2は各々異なるしきい値電圧v
thl、■th2を持っており、それ以外の特性は等し
いものとする。また入力側に表われた(−)、(+)の
符号は各々、出力に対して逆相、同相となることを意味
するものである。
FIG. 16 schematically represents a general operational amplifier by taking only its differential part.
S) The transistors T, , T2 each have a different threshold voltage v.
thl, ■th2, and other characteristics are assumed to be equal. Further, the signs (-) and (+) appearing on the input side mean that the output is in opposite phase and in phase with the output, respectively.

T、の入力をV、、T2の入力をv2とすれば、■、−
■th1−■2−■th2つまり■1−■2:■th1
−■th2    ・・・・・・(26)の条件を境と
して、出力レベルが変化する。
If the input of T is V, and the input of T2 is v2, then ■, -
■th1-■2-■th2 That is, ■1-■2: ■th1
-■th2...The output level changes after the condition (26) is reached.

′演算増幅器はしきい値電圧の差電圧分の入力オフ・セ
ットを持たせ、入力のいずれか二方を接地あるいは、電
源に接続すれば、このオフ・セット電圧を基準電圧とす
るコンパレータとして動作させることができる。従って
第16図に示すように、(−)入力端子に出力を接続し
く+)入力端子を接地すれば、出力outにはしきい値
電圧の差が得られる。この場合演算増幅器の動作をさせ
るためには、T2はデプレッション・モードであるとと
が必要である。例えばT、にP+ゲー)MOS、T2に
N+ゲー)MOSを使用する場合には、両方のMO8F
’ETのチャンネル部に同一の条件でイオイ打込みを行
って、ディプレッション型とすれば良い。
'An operational amplifier has an input offset equal to the difference between the threshold voltages, and if either two of its inputs are connected to ground or the power supply, it operates as a comparator using this offset voltage as the reference voltage. can be done. Therefore, as shown in FIG. 16, if the output is connected to the (-) input terminal and the +) input terminal is grounded, a difference in threshold voltage can be obtained at the output (out). In this case, in order to operate the operational amplifier, T2 must be in depletion mode. For example, when using P+Ge) MOS for T, and N+Ge) MOS for T2, both MO8F
It is sufficient to implant the molten metal into the channel part of 'ET under the same conditions to make it a depression type.

第17図は、第16図における演算増幅器を使って、基
準電圧を任意に設定できるようにしたものである。出力
を分圧手段R,,R6を通して(−)入力に帰還させれ
ば、その分圧比をrとすれば、出力電圧V。は となる。分圧手段R,,R,は線形抵抗が望ましいが、
許容できる程度に十分に特性のそろった抵抗であれば何
でも良い。
In FIG. 17, the reference voltage can be arbitrarily set using the operational amplifier in FIG. 16. If the output is fed back to the (-) input through the voltage dividing means R, , R6, and the voltage dividing ratio is r, the output voltage will be V. Hato becomes. The voltage dividing means R,,R, is preferably a linear resistance, but
Any resistor may be used as long as it has sufficiently uniform characteristics to be acceptable.

第16図、17図の回路はディプレッション型MO3を
使用するのが前提であるのに対し、第18図、第19図
の回路はエン/1ンスメント型MO8でも動作可能なよ
うにしたものである。もちろん、ディプレッション型で
あっても差しつかえない。
The circuits shown in Figures 16 and 17 are based on the use of a depletion type MO3, whereas the circuits shown in Figures 18 and 19 can also operate with an enhancement type MO8. . Of course, it is okay to be a depression type.

第18図の例は、第16図の例と同様出力を(−)入力
に直接帰還させたもので、出力■。は、電源電圧を■D
Dとすれば、 ■。=■DD−(Vthよ−■th2) ・・・・・−
(28)となる。第16.17図の回路では差動対の少
なく共一方をディプレッション・モードにする必要があ
り、ケースによっては製造工程数を増やさなければなら
ないことがあるが、Vthの差電圧を接地電位を基準に
して取り出すことができる。
The example shown in FIG. 18 is similar to the example shown in FIG. 16, in which the output is directly fed back to the (-) input, and the output is ■. is the power supply voltage ■D
If D, ■. =■DD-(Vthyo-■th2) ・・・・・・-
(28). In the circuit shown in Figure 16.17, it is necessary to set one of the differential pairs to depletion mode, and depending on the case, the number of manufacturing steps may have to be increased. You can take it out.

逆に、第18.’19図の回路では得られる差電圧の基
準が接地電位でない方の電源電圧となるが、FETの動
作モードの条件は特に付かない。
On the contrary, the 18th. In the circuit shown in Figure 19, the reference for the obtained differential voltage is the power supply voltage that is not the ground potential, but there are no particular conditions for the operating mode of the FET.

いずれの回路形式を採用するかはどの長短所を重(みる
かによって決めれば良い。
Deciding which circuit type to adopt depends on its merits and demerits.

第19図の例は第17図の例と同様分圧手段R7、R8
を通して出力を(−)入力に帰還させたもので、出力は r となる。
The example in FIG. 19 is the same as the example in FIG.
The output is fed back to the (-) input through the circuit, and the output is r.

第20図は、Vthの差を利用した基準電圧発生装置か
らの基準電圧を比較器の一人力に加え、他の一方の入力
に被検出電圧を加え、被検出電圧の基準電圧に対する高
低が区別できるようにした電圧検出回路である。
Figure 20 shows how the reference voltage from a reference voltage generator that uses the difference in Vth is added to one input of the comparator, and the detected voltage is added to the other input, and the level of the detected voltage with respect to the reference voltage is distinguished. This is a voltage detection circuit that makes it possible to

第21図の例は、Vthの差を利用した基準電圧発生装
置からの基準電圧を一比較器の一人力に加え、他の一方
の入力に被検出電圧を分圧手段Ro、R6により分圧し
た電圧を加えた電圧検出回路である。
In the example shown in FIG. 21, a reference voltage from a reference voltage generator using the difference in Vth is added to one comparator, and the detected voltage is divided into the other input by voltage dividing means Ro and R6. This is a voltage detection circuit that applies the same voltage.

分圧比をr、基準電圧を■ref+検出レベルをVse
nseとすると となり、分圧比rにより検出レベル■5enseを任意
に設定できる。
Voltage division ratio is r, reference voltage is ref + detection level is Vse
nse, and the detection level 5ense can be arbitrarily set by the partial pressure ratio r.

第22図の例は、Vthの差に相当す本オフ穆セットを
持った演算増幅器を用いて、先に説明したようにオフ・
セット電圧を基準電圧として利用した電圧検出回路であ
る。またR1. + R,2は第21図の例と同じ分圧
手段である。
The example in FIG. 22 uses an operational amplifier with a main off-set corresponding to the difference in Vth, and uses an off-off set as described above.
This is a voltage detection circuit that uses a set voltage as a reference voltage. Also R1. +R,2 is the same pressure dividing means as in the example of FIG.

第20.21.22図の例において被検出電圧を電源電
圧とすればバッテリーを電源として使用するシステムに
おいては、バッテリーチェッカーとして利用できる。゛
第22図の電圧検出回路を電子時計のバッテリ・チェッ
カーに応用した具体例を第29図に示すが、詳しい説明
は後述する。
In the example of Figures 20, 21, and 22, if the voltage to be detected is the power supply voltage, it can be used as a battery checker in a system that uses a battery as the power supply. 29 shows a specific example in which the voltage detection circuit shown in FIG. 22 is applied to a battery checker for an electronic watch, and a detailed explanation will be given later.

第23図の例は、安定化電源回路に応用したものである
。基準電圧発生回路は先に述べたいくつかの方法で構成
したものであり、R1,l R14により安定化出力の
一部と基準電圧とを比較し、一致するようにT20のゲ
ート電圧を制御し、出力電圧を安定化する。演算増幅器
は、その特性が許容される範囲で何を使っても良い。
The example shown in FIG. 23 is applied to a stabilized power supply circuit. The reference voltage generation circuit is constructed using the several methods described above, and R1, R14 compares a part of the stabilized output with the reference voltage, and controls the gate voltage of T20 so that they match. , stabilize the output voltage. Any operational amplifier may be used as long as its characteristics are acceptable.

第24図の例は第23図の例でT、。にMO8I−ラン
ジスタを使用したのに代えてバイポーラ・トランジスタ
TR1を使用したものである。
The example in FIG. 24 is T, in the example in FIG. A bipolar transistor TR1 is used in place of the MO8I-transistor used in the first embodiment.

第25図の例は第16図の例で示したオフ・セット電圧
を持った演算増幅器を使用したものである。T2.は当
然MO,S)ランジスタであってもバイポーラトランジ
スタであっても、接合型電界効果トランジスタであって
も良い。
The example shown in FIG. 25 uses an operational amplifier having the offset voltage shown in the example shown in FIG. T2. Of course, it may be a MO, S) transistor, a bipolar transistor, or a junction field effect transistor.

第26図の例は、T、とT、のしきい値電圧の差によっ
て決定される定電流回路である。
The example in FIG. 26 is a constant current circuit determined by the difference in threshold voltage between T and T.

T、、T2は同一の相互コンダクタンスβを持上、しき
い値電圧は各々異なるvthl e Vth2である。
T, , T2 have the same transconductance β, and have different threshold voltages vthl e Vth2.

抵抗R20がT1のインピーダンスに比較して十分高け
れば、T、のドレイン電圧(=ゲート電圧)■1はVt
hlとほぼ等しくなる。
If the resistance R20 is sufficiently high compared to the impedance of T1, the drain voltage (=gate voltage) of T1 is Vt
It becomes almost equal to hl.

T2が飽和領域の時は、T2に流れる電流I2は 1−一β(Vtht  Vthz )”    −−=
(31J、  2 となる。
When T2 is in the saturation region, the current I2 flowing through T2 is 1-1β(Vtht Vthz)'' --=
(31J, becomes 2.

第27図の例は、T22に流れる電流Iによる電圧降下
I。ujR2,を基準電圧Vrefと比較し、常に両者
が等しくなるようにT1のゲート°電圧を制御するよう
にした定電流回路である。
In the example of FIG. 27, the voltage drop I due to the current I flowing through T22. This is a constant current circuit that compares ujR2 with a reference voltage Vref and controls the gate voltage of T1 so that both are always equal.

t ・・・・・・国 となる。t ······Country becomes.

ここで基準電圧は、先の例にもあるように演算増幅器に
オフ・セットを持たせることによって得ても良い。  
 ” 第28図の例は、T、、T、、を同一のトランジスタと
し、いわゆるカレント・ミラー回路を用いた定電流回路
である。
Here, the reference voltage may be obtained by providing an operational amplifier with an offset, as in the previous example.
28 is a constant current circuit using a so-called current mirror circuit in which T, , T, are the same transistors.

第29図の例は、第22図の例のバッテリ・チェッカー
を電子時計に応用した例である。
The example shown in FIG. 29 is an example in which the battery checker shown in FIG. 22 is applied to an electronic watch.

TI +T2 + T41ンT49およびR4,とR4
2は公称1.5■の水銀電池E1の電圧レベルをチェッ
クする回路を構成する。差動部のトランジスタ対をP+
ゲート・Nチャネル−MOS、N+ゲート・Nチャネル
−MO8T、8.T、で構成し、両者のしきい値電圧が
電子時計の動作電源範囲である1、0V〜1.5■以内
になるように、チャネル部分にイオン打込みをほどこし
ている。
TI + T2 + T41 T49 and R4, and R4
2 constitutes a circuit for checking the voltage level of the mercury battery E1, which has a nominal capacity of 1.5 cm. The transistor pair in the differential section is set to P+
Gate/N channel-MOS, N+ gate/N channel-MO8T, 8. Ions are implanted into the channel portion so that the threshold voltages of both are within 1.0V to 1.5V, which is the operating power supply range of electronic watches.

基準電圧となるしきい値電圧の差は、シリコン半導体の
場合は、約1.1Vであり、バッテリーの電圧が下った
ことを検出するレベル゛を1.4V近辺に合せるために
抵抗手段R,,R2の抵抗比で調整している。
The difference between the threshold voltages that serve as reference voltages is approximately 1.1V in the case of silicon semiconductors, and the resistance means R, , R2.

このバッテリーチェッカーは、消費電流を実用上無視で
きる程度とするために、分周回路I” Dよりタイミン
グ回路TMを通して得られるクロック信号φにより、間
欠的に動作する。
This battery checker operates intermittently using a clock signal φ obtained from the frequency divider circuit I''D through the timing circuit TM in order to reduce the current consumption to a practically negligible level.

パンテリーチェッカーの出力はNANDゲートNA、、
NA2で構成されたラッチによりスタティックに保持さ
れ、このラッチ回路出力の論理レベルにより、タイミン
グ回路TMを制御し、それによってモータの駆動出力を
変えて、指針の運針の方法を変えて、バッテリー電圧の
低下を表示する。バッテリ電圧の低下は指針の動きを変
えず、別に液晶や発光ダイオード等の電気光学的素子を
点滅させる等して表示することも可能である。
The output of pantry checker is NAND gate NA,,
It is held statically by a latch composed of NA2, and the logic level of this latch circuit output controls the timing circuit TM, thereby changing the drive output of the motor, changing the method of hand movement, and changing the battery voltage. Show decline. A decrease in battery voltage can be indicated without changing the movement of the pointer, by blinking an electro-optical element such as a liquid crystal or a light emitting diode.

なお同図において、O8CはCMOSインバータで構成
され、IC外の部品水晶Xtal及び容量CG I C
Dを一緒に含む水晶発振回路、WSはその発振出力を正
弦波からく形波に変換する波形成形回路、CMは秒針を
駆動するステップ・モータの励磁コイノペBF、、BF
2はCMOSインバータで構成され励磁コイルCMを1
秒毎に極性を反転して駆動するためのバッファーである
In the same figure, O8C is composed of a CMOS inverter, and components outside the IC include a crystal Xtal and a capacitor CG I C.
WS is a waveform shaping circuit that converts the oscillation output from a sine wave to a rectangular wave, CM is an exciting Koinope for the step motor that drives the second hand, BF, BF
2 is composed of a CMOS inverter and the excitation coil CM is
This is a buffer for driving by reversing the polarity every second.

IC内の全ての回路は公称1.5■の水銀電池E。All circuits in the IC are mercury batteries E with a nominal capacity of 1.5 .

で動作する。またTMは分周回路FDの複数の周波数の
異なる分周出力およびNA、、NA2で構成されたラッ
チの制御出力を入力として、任意の周期およびパルス幅
を持つパルスを発生するタイミングパルス発生回路であ
る。ICは第6図に示すS1ゲー)CMO’Sプロセス
で作られた指針式電子腕時計用モノリシック81半導体
チップである。
It works. TM is a timing pulse generation circuit that generates pulses with arbitrary periods and pulse widths by inputting the divided outputs of the frequency dividing circuit FD with a plurality of different frequencies and the control output of the latch composed of NA, , NA2. be. The IC is a monolithic 81 semiconductor chip for a pointer type electronic wristwatch manufactured by the S1 game) CMO'S process shown in FIG.

以上本発明について種々の実施例をもとに説明したが、
これに限定されず、ここに記載された技術思想はその他
色々な用途の電子機器に応用されるであろう。
The present invention has been described above based on various embodiments, but
The technical idea described herein is not limited to this, and may be applied to electronic devices for various other uses.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はGaAs 、S iおよびGe半導体のエネル
ギー・ギャップE3とその温度依存性を示す図である。 第2甲は半導体のバンド構造とフェルミ準位Efを示す
図であり、同図tal 、 (blはN型半導体、(c
l 、 (diはP型半導体の例を示す。第3図はN型
及びP型Siのフェルミ準位の、不純物濃度をパラメー
タにした温度特性を示す図である。第4図(al 、 
tblおよび(C1はそれぞれGe 、 S iおよび
GaAs半導体と各種のドナーおよびアクセプタ不純物
が持つエネルギー準位の分布を示す図である。 第5図はN型およびP型半導体のフェルミ準位の差(E
fn−Efp)を取り出すために使用され得、  るP
+ゲートおよびN+ゲートMO8FETの断面構造を概
略的に示し、左半分がPチャンネルFET、右半分がN
チャンネルFETを示している。 第6図1al乃至(f)はN+ゲー)(B部分)および
ビゲート(A部分)PチャンネルMO8FETが通常の
コンプリメンタリMO8’を構成するPチャンネルFE
T(C部分)およびNチャン鼻ルFET(D部分)と−
緒に製造されるのを示す。主要工程における断面図であ
る。第7図1al l tl)lは夫々N+ゲー)Pチ
ャンネルMO8FETの平面図と断面図を、同図(C+
 + td+はP+ゲートPチャンネルMO8FETの
平面図と断面図を示し、各平面図の矢印で示した線をそ
の断面図の切断線と仮定している。 第8図(al 、 (blは、それぞれP+型半導体−
絶縁物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷の状態
を示し、同図fcl 、 +dlはそれぞれN+型半導
体−絶縁物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷の
状態を示す図である。 第9図1al 、 tblは夫々異なるしき見・値電圧
Vthヲ持つ2つのFETのVthの差を取り出すため
のMOSダイオード回路の特性図とその回路を示す図で
あり、第10図はイオン打ち込みによってVthが変化
する様子を示す特性図である。 第11図及び第12図は夫々Vthの差を利用した基準
電圧発生回路の一例を示し、第13図1alは更に他の
基準電圧発生回路の一例を示し、同図+blはそのタイ
ミング信号波形を示す。第14図乃至第19図は更に他
の実施例にもとず(基準電圧発生回路を示す。第20図
〜第22図はそれらを電圧検出回路に応用した例を、第
23図〜第25図は電圧レギュレータに応用した例を、
第26図〜第28図は定電流回路に応用した例を、第2
9図は電子式腕時計用バッテリ・チェッカーに応用した
例を示している。 T・・・MOSFET、、R・・・抵抗、C・・・コン
デンサXta1・・・水晶振動子、O20・・・水晶発
振回路、WS・・・正弦波−く形波変換波形成形回路、
FD・・・2進力ウンタ多段接続分周回路、TM・・・
タイミング回路、CM・・・秒針駆動用ステップモータ
の励磁コイル、BF・・・CMの駆動用バッファー、N
A・・・NANDゲート、IC・・・モノリシックSi
半導体集積回路チップ、φ・・・クロックパルス、Eg
・・・半導体のエネルギー・ギャップ、Ev・・・価電
子帯の最上限準位、EC・・・伝導帯の最下限準位、E
i・・・真性半導体のフェルミ準位、Efn、Efp・
・・N型、P型半導体のフェルミ準位、Ed 、Ea・
・・ドナーアクセプタ準位。 第  1  図 第  3  図 /I’に) 第  9  図 (tl−)(b) 第 11図、  第12 図 第  13 図 リーーーーーーーーーーーーーーー 第14図 第16図 第17図 第18図 第19図 第20図 第21図 第22図 第  23 図 第24図 第25図
FIG. 1 is a diagram showing the energy gap E3 of GaAs, Si, and Ge semiconductors and its temperature dependence. The second part A is a diagram showing the band structure of the semiconductor and the Fermi level Ef.
l, (di indicates an example of a P-type semiconductor. Figure 3 is a diagram showing the temperature characteristics of the Fermi level of N-type and P-type Si with impurity concentration as a parameter. Figure 4 (al,
tbl and (C1 are diagrams showing the distribution of energy levels of Ge, Si, and GaAs semiconductors, and various donor and acceptor impurities, respectively. Figure 5 shows the difference in the Fermi level of N-type and P-type semiconductors ( E
fn-Efp), which can be used to retrieve P
The cross-sectional structures of + gate and N+ gate MO8FETs are schematically shown, with the left half being a P channel FET and the right half being an N channel FET.
A channel FET is shown. Figure 6 1al to 1(f) are P-channel FEs in which N+gate (B part) and bigate (A part) P-channel MO8FETs constitute a normal complementary MO8'.
T (C part) and N channel nasal FET (D part) and -
This indicates that they are manufactured together. It is a sectional view in a main process. Figure 7 shows a plan view and a cross-sectional view of a P-channel MO8FET.
+td+ shows a plan view and a cross-sectional view of a P+ gate P-channel MO8FET, and the line indicated by the arrow in each plan view is assumed to be the cutting line of the cross-sectional view. Figure 8 (al, (bl are respectively P+ type semiconductors -
The energy state and charge state of an insulator-N-type semiconductor structure are shown, and fcl and +dl in the figure are diagrams showing the energy state and charge state of an N+-type semiconductor-insulator-N-type semiconductor structure, respectively. Fig. 9 1al and tbl are a characteristic diagram of a MOS diode circuit for extracting the difference in Vth of two FETs having different threshold/value voltages Vth, and a diagram showing the circuit. FIG. 3 is a characteristic diagram showing how Vth changes. 11 and 12 each show an example of a reference voltage generation circuit that utilizes the difference in Vth, FIG. 13 1al shows an example of another reference voltage generation circuit, and +bl in the figure shows the timing signal waveform. show. 14 to 19 are based on other embodiments (reference voltage generation circuits are shown). The figure shows an example of application to a voltage regulator.
Figures 26 to 28 show examples of applications to constant current circuits.
Figure 9 shows an example of application to a battery checker for electronic wristwatches. T...MOSFET, R...Resistor, C...Capacitor Xta1...Crystal resonator, O20...Crystal oscillation circuit, WS...Sine wave-square wave conversion waveform shaping circuit,
FD...Binary power counter multi-stage connection frequency divider circuit, TM...
Timing circuit, CM...excitation coil for the step motor for driving the second hand, BF...buffer for driving the CM, N
A...NAND gate, IC...monolithic Si
Semiconductor integrated circuit chip, φ...clock pulse, Eg
...Energy gap of the semiconductor, Ev...The upper limit level of the valence band, EC...The lower limit level of the conduction band, E
i...Fermi level of intrinsic semiconductor, Efn, Efp・
・Fermi level of N-type and P-type semiconductors, Ed, Ea・
...Donor acceptor level. Fig. 1 Fig. 3 Fig. 9/I') Fig. 9 (tl-) (b) Fig. 11, Fig. 12 Fig. 13 Fig. 14 Fig. 16 Figure 17 Figure 18 Figure 19 Figure 20 Figure 21 Figure 22 Figure 23 Figure 24 Figure 25

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、T_1、T_2は異なる導電塵のゲート電極を有す
るMISFETであり、T_1、T_2のソースはそれ
ぞれ第1の基準電位に接続され、T_1、T_2のゲー
トはそれぞれのドレインに接続されかつクロックによっ
てスイッチ制御される負荷手段を介して第2の基準電位
に接続され、さらにT_1、T_2のドレインは容量を
介して互いに接続されていることを特徴とする半導体集
積回路装置。 2、前記MISFETT_1、T_2のゲート電極は、
P(又はN)型とN(又はP)型であることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の半導体集積回路装置。 3、前記MISFETT_1、T_2のゲート電極はP
(又はi)型とi(又はP)型であることを特徴とする
特許請求め範囲第1項記載の半導体集積回路装置。 4、前記MISFETT_1、T_2のゲート電極はN
(又はi)型とi(又はN)型であることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の半導体集積回路装置。
[Claims] 1, T_1 and T_2 are MISFETs having gate electrodes made of different conductive particles, the sources of T_1 and T_2 are respectively connected to a first reference potential, and the gates of T_1 and T_2 are connected to their respective drains. 1. A semiconductor integrated circuit device, wherein the semiconductor integrated circuit device is connected to a second reference potential via a load means that is connected and switch-controlled by a clock, and further, the drains of T_1 and T_2 are connected to each other via a capacitor. 2. The gate electrodes of MISFET T_1 and T_2 are:
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor integrated circuit device is of P (or N) type and N (or P) type. 3. The gate electrodes of MISFET T_1 and T_2 are P
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor integrated circuit device is of the (or i) type and the i (or P) type. 4. The gate electrodes of MISFET T_1 and T_2 are N
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor integrated circuit device is of the (or i) type and the i (or N) type.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6215352B1 (en) 1998-01-28 2001-04-10 Nec Corporation Reference voltage generating circuit with MOS transistors having a floating gate
JP2007128395A (en) * 2005-11-07 2007-05-24 Ricoh Co Ltd Half band gap reference circuit

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